30 juli 2021

SpaceX Raptor; uniek en ijzersterk werkpaard onder de vloeibare-brandstof raketmotoren (II)

De Raptormotor is een herbruikbare, methaan-aangedreven raketmotor vervaardigd door én voor SpaceX. In deel I werd de bijzondere verbrandingscyclus van de Raptor, en de methalox besproken, de motor gebruikt cryogeen vloeibaar methaan en vloeibare zuurstof (LOX) als brandstof. De Raptor, ontwikkeld voor Starship en Super Heavy, moet volgens Elon Musk de effectiefste raketmotor ooit worden met de gunstigste stuwkracht per kilogram brandstof verhouding. Hier volgt deel II, beide delen zijn een ingekorte versie van Everyday Astronaut’s Tim Dodd zeer uitgebreide artikel/video over de Raptor, en beschrijft de Raptor versus andere gangbare raketmotoren, als o.a. de Merlin, de RS-25 (Spaceshuttle/SLS), de RD-180, Blue Origin’s BE-4 en de F-1-motor. Verder staan Mars en methaan, kosten, motorefficiëntie, herbruikbaarheid en andere praktische overwegingen centraal. Ik hoop met beide artikelen duidelijk te maken waarom SpaceX tot de keuze voor de Raptor is gekomen en misschien in de toekomst wel het beste paard in de stal der raketmotoren kan worden…

MARS, METHAAN, de Raptor vergeleken, motorefficiëntie en kosten

Mars, Starship, artistieke impressie Credits; SpaceX

Mars en methaan
In deel II ga ik eerst in op de keuze van SpaceX voor methaan. SpaceX ziet methaan als een zeer belangrijk onderdeel van de toekomst van hun bedrijf. SpaceX’ einddoel is om van de mens een ‘interplanetaire soort’ te maken’ en daarvoor moet een transport- c.q. infrastructuur ontwikkeld worden opdat mensen continu tussen de maan, Mars, Aarde enz…kunnen reizen. De Marsatmosfeer is rijk aan CO2, als je dit combineert met waterwinning uit zowel oppervlakte- als ondergronds water op Mars d.m.v. bv  elektrolyse en het sabatierproces (reactie waterstof met kooldioxide bij hoge temperatuur (optimaal 300–400 °C) en druk, in de aanwezigheid van een katalysator met de bedoeling om methaan en water te produceren), dan kun je methaan fabriceren. Gunstig is dat je niet alle brandstof mee hoeft te nemen, maar ‘in-situ’ of ter plaatse gebruik maakt van natuurlijk hulpbronnen, ook wel ‘in-situ resource utilisation (ISRU) genoemd. Waarom bv geen waterstof gebruik? Een probleem is dan het kookpunt van waterstof. Er zijn veel haken en ogen aan het in een vloeibare toestand houden van waterstof opdat het als brandstof te gebruiken is. Voor SpaceX is methaan gunstiger! Het is vrij compact, daardoor blijft de grootte van de ruimteschepen binnen de perken, efficiënt, brandt schoon en zorgt voor een herbruikbaarheid van de motor. Ook verbrandt het relatief koel en helpt het de levensduur van een motor te verlengen, wat gunstig is voor herbruikbaarheid. En verder is het relatief goedkoop en eenvoudig te produceren op het Marsoppervlak. Nu we de werking besproken hebben (zie d.I) en de verschillende brandstofeigenschappen kunnen we typen (vijf) motoren vergelijken. We leggen de Raptor naast de Merlin van SpaceX, RD-180 van Energomash, F-1 van Rocketdyne, BE-4 van Blue Origins en RS-25 van Aerojet/Rocketdyne.

Merlin (open cyclus), RD-180 (gesloten cyclus), F-1 Rocketdyne (allen op RP-1), Blue Origins BE-4 (net als Raptor methaan en gesloten cyclus), RS-25 (Aerojet, gesloten cyclus en waterstof)
Een onderlinge vergelijking, toegespitst op brandstoftype en op verbrandingscycli. We nemen dan de Merlinmotor (SpaceX, open cyclus, Falcon 9 en Falcon heavy, RP-1), de RD-180 (NPO Energomash, gesloten cyclus, RP-1 Atlas-V van ULA), de F-1-motor (Rocketdyne, RP-1, Saturnus V). Ten overvloede, deze gebruiken allen RP-1, verfijnde kerosine. Dan hebben we SpaceX’s full-flow gefaseerde verbrandingscyclus Raptormotor (Starship en Super Heavy, methaan) en de BE-4-motor (Blue Origin, methaan, gesloten cyclus, New Glennraket en Vulcanraket van ULA). Ten slotte is er nog de RS-25-motor (Aerojet/Rocketdyne, waterstof, gesloten cyclus, SLS/Spaceshuttle). Enkele kanttekeningen; ten eerste, de Raptor en BE-4 zijn nog steeds volop in ontwikkeling, de cijfers hier gepresenteerd zijn van 2019 zoals toen bekend, w.b. de Raptor, en in het geval van de BE-4 betreft het de beoogde doelcijfers die Blue Origin nog moet behalen. En uiteraard blijven de cijfers aan verandering onderhevig. Ten tweede, de RD-180, om verwarring te voorkomen, dit is één enkele motor, maar bezit twee verbrandingskamers! Er is maar één turbopomp die zijn vermogen verdeelt over twee verbrandingskamers. De Sovjet-Unie was in staat om het hete zuurstofrijke gesloten-cyclusprobleem op te lossen, maar niet om de instabiliteit van de verbranding van grote motoren op te lossen, dus in plaats van één grote verbrandingskamer, maakten ze meerdere kleine!

RD-180 NPO Energomash Ccredits; NASA

Van ‘stuwkracht’ en ‘thrust-to-weight ratio’, naar motorefficiëntie, RS-25 superefficiënt maar duur
Dan bekijken we hun totale stuwkrachtoutput op zeeniveau, aangezien al deze motoren op zeeniveau werken, is dit een goede uitgangssituatie voor een vergelijk. Ik presenteer ze van de minste naar de meeste stuwkracht. De Merlin produceert .84 MN’s stuwkracht, de RS-25 produceert 1,86 MN’s, de Raptor 2 MN’s, de BE-4 hoopt 2,4 MN’s te halen, de RD-180 gaat voor 3,83 MN’s en de F-1-motor topt alles, met 6,77 MN’s. (Historisch produceerde de Russische RD-170 meer stuwkracht dan de F-1 maar deze heeft niet veel gevlogen, de RD-180 is een directe afstammeling van deze en de toekomstige Russische Sojoez 5 c.q. Heavylift wordt uitgerust met de RD-171). Deze opsomming betreft motoren die veel gebruikt zijn, en (gaan) worden. Stuwkracht is belangrijk, maar evenzo belangrijk is de verhouding tussen stuwkracht en gewicht (Eng. thrust-to-weight ratio
). De stuwkracht-gewichtsverhouding op basis van de initiële stuwkracht en gewicht wordt vaak gebruikt om de prestaties van voertuigen onderling met elkaar te vergelijken. Men berekent deze door de stuwkracht (N) te delen door het gewicht (van de motor). Een motor met een hogere stuwkracht tot gewicht betekent uiteindelijk minder dood gewicht meegssleept door de raket. Van laag naar hoog; de laagste is de RS-25 van de Space Shuttle op 73:1, dan is er de RD-180 die 78:1 is, dan hebben we de BE-4 op ongeveer 80:1, (maar let op dit zijn de te behalen doelen van Blue Origins voor de BE), dus er kan daar wat bewegingsruimte zijn, dan is de F-1 94:1, vervolgens de Raptor op 107:1 (voorlopig), en tot slot gaat de Merlin van SpaceX aan kop met een verbazingwekkende 198:1 stuwkracht/gewichtsverhouding, een echt ‘powerhouse’..

De stuwkracht is belangrijk maar de focus ligt uiteindelijk op de efficiëntie van de motor. Even terug naar de specifieke impuls, of Isp, gemeten in seconden. Hiervoor tonen we zowel de Isp op zeeniveau als in vacuüm. Beginnend met de minst efficiënte motor, de F-1-motor behaalt resp. 263 en 304 sec, de Merlin-motor resp. 282 en 311 sec, de RD-180 haalt 311 en 338 sec. en enigszins vergelijkbaar is de BE-4 met 310 en 340 sec, de Raptor-motor behaalt 330 en 350 sec, en ten slotte aan kop gaat de RS-25 (LH/LOX) met 366 en 452 sec.! Een van de factoren die zowel de stuwkracht als de specifieke impuls beïnvloeden, is kamerdruk. Algemeen geldt dat hoe hoger de kamerdruk, hoe meer stuwkracht er gegenereerd kan worden hoe efficiënter. Hogere kamerdrukken laten een motor kleiner zijn voor een bepaald stuwkrachtniveau, waardoor ook hun stuwkracht/gewichtsverhouding verbetert. De ‘baby’ hier is eigenlijk de F-1 die ‘maar’ een kamerdruk van 70 bar had. Feitelijk nog verbijsterend hoog, daar 70 bar 70 keer de atmosferische druk is, gelijk aan de druk die je ervaart op 700 meter onder water… Dan de Merlin op 97 bar, de BE-4 tipt 135 bar en de RS-25 haalt 206 bar. De RD-180, welke vooralsnog beschouwd wordt als het beste paard van stal onder de operationele motoren haalt 257 bar, (totdat de Raptor hem verslaat natuurlijk), welke streeft naar een kamerdruk van 300 bar!! (Dit is, 330 bar zelfs, recent in augustus j.l. behaald bij SpaceX).

Prijskaartje, herbruikbaarheid
Van de specificaties van deze motoren, naar operationele overwegingen. Te starten met de kosten (deze bedragen houden rekening met inflatie), van duur naar minst duur. De duurste motor in deze serie is de RS-25, met een prijskaartje van 50 miljoen $ per motor. De F-1-motor kost 30 mln. $ per stuk, dan de RD-180 die, omgerekend van roebels, 25 mln. $ per motor kost. Stukken voordeliger is Blue Origin’s BE-4 met 8 mln. $ per motor en dan de Merlin die onder de 1 mln. $ duikt. De Raptor zal ook rond de 1 miljoen $ gaan schommelen, i.i.g. in de buurt van de Merlin blijven. Vooralsnog houden we de Raptor op 2 mln. $ per motor.

RS-25 Rocketdyne motortest Credits; NASA

Welnu, kosten zijn één ding, maar een andere sterke overweging m.b.t. de kosten is de mate van herbruikbaarheid (Eng.reusability). Alleen de RD-180 en de F-1 waren en/of zijn niet herbruikbaar. Anders dan alle anderen die allemaal zullen worden hergebruikt. De RS-25 werd keer op keer hergebruikt met het record van 19 vluchten met een enkele motor. De Merlin hoopt tot 10 vluchten te volbrengen zonder ingrijpende renovaties. We weten dat een ontwerpdoelstelling voor de BE-4 is om tot 25 keer te worden hergebruikt (de motor zou mogelijk zelfs 100x hergebruikt kunnen worde) , en ik denk dat SpaceX streeft bij de Raptor naar 50 keer hergebruik zonder al te veel onderhoud. Nogmaals, ambities zijn één ding, maar de tijd moet het leren wat hiervan overeind blijft. Wat betreft prijzen, volgt nu iets opmerkelijks. Elon Musk liet in februari 2019 in een tweet weten dat men bij SpaceX hoopt de Raptor beter te laten worden in zijn verhouding tussen stuwkracht en $.

Nu wordt het pas echt interessant. Want wat maakt het uit hoeveel een motor kost als één grote motor goedkoper is dan twee kleinere voor dezelfde stuwkracht of andersom? Beter is te kijken naar de $ tot kN-verhouding van deze motoren. beginnend met de duurste $ tot kN-motor, de RS-25 deze kost een $ 26.881:1 kN stuwkracht, dan de RD-180 voor $ 6527:1 kN, gevolgd door de F-1 voor $ 4431:1 kN, en dan gaan we ga naar de BE-4 die $ 3333:1 kN is, en dan de Merlin voor $ 1170;1 kN en de Raptor voor ongeveer $ 1000:1 kN. Échter, kunnen we nog een stapje verder gaan, aangezien we nu hun $/kN-ratio kennen, alsook hun herbruikbaarheidspotentieel … Nu kunnen we hun potentiële kosten per kN per vlucht voorspellen, die verandert op basis van herbruikbaarheid. Aangezien de RD-180 en de F-1 niet herbruikbaar zijn, blijft hun prijs hetzelfde, maar voor de andere motoren geldt, als we rekening houden met het aantal vluchten dat ze (zullen) hebben, beginnen we te zien dat de herbruikbaarheid van de RS-25 zijn vruchten afwerpt en de kloof dichten, waardoor de potentiële kosten dalen tot slechts $ 1414:1 kN, en hier gebeurt het; de BE-4 van Blue Origin heeft de potentie een echte gamechanger te worden met zo een $ 133:1 kN over 25 vluchten (ga je uit van 100 dan zou dit natuurlijk slechts 33:1 zijn), waardoor deze enigszins vergelijkbaar, of ver onder de Merlin schiet, welke voor $ 117 per 1 kN vliegt. Maar als de Raptor-motor zijn beloftes echt waarmaakt, zou het per vlucht de prijs kunnen terubrengen tot een waanzinnig voordelige $ 20 per kN! een ‘dubbele’ gamechanger zogezegd.

Geld is niet alles, betrouwbaarheid

Natuurlijk, geld en herbruikbaarheid zijn heel belangrijk maar er is meer. Betrouwbaarheid bijvoorbeeld! We tonen nu het aantal operationele vluchten van elke motor afzonderlijk. Echter, tot op heden, heeft zowel de Raptor als de BE-4 er nog geen orbitale vluchten erop zitten. Alleen het Starship/Raptor heeft  enkele testvluchten van resp. 150 m en 12 km hoogte voltooid. Maar voorlopig heeft geen van beide motoren een echt vlieg trackrecord. Dan hebben we de F-1-motor die op 17 vluchten werd gebruikt, daarna de Merlin-motor die op 71 vluchten staat en nagenoeg gelijk op met de RD-180, die 79 vluchten voltooide. De RS-25 met 135 vluchten verslaat alle voorgaande motoren. Verder betreffende de ‘inflight’ betrouwbaarheid; door het aantal vluchten en het inflight opereren van de motoren in beschouwing te nemen krijgen we een nog beter idee van betrouwbaarheid van de motor. Dit aantal is wel lastig vast te stellen, aangezien sommige motoren misschien eerder uitgeschakeld werden, maar een missie dan nog steeds als een succesvol te boek staat… Nogmaals, de BE-4 en Raptor hebben nog niet gevlogen, dus die cijfers zijn niet beschikbaar, dan hebben we de RS-25 (Spaceshutte/SLS) die meer dan 99,5% betrouwbaar is. Dan komt de Merlin, 99,9% betrouwbaar; veel vluchten en op iedere vlucht 10 motoren, met in zijn totale historie slechts één motor shutdown (waarbij de missie nog steeds als succes gold)…dus het is een zeer betrouwbare motor!

SpaceX’Merlin 1D motortest, Texas Credits; SpaceX


En als laatste zijn, technisch gezien de RD-180 en de F-1 100% betrouwbaar, daar beide nooit een inflight shutdown gekend hebben, met als kanttekening dat dat de RD-180 100% nipt aan is, daar deze motor een keer veel geluk heeft gehad. Tijdens een Atlas-V missie in 2016, viel de motor te vroeg uit vanwege en defecte klep, en toch werd de missie een succes vanwege de Centaur, die als bovenste rakettrap nog genoeg reserve delta-V (versnelling) had om het Cygnusschip in orbit te lanceren! Kortom er zijn heel veel variabelen bij een raketontwerp. Verander een variabele, en het kan een een enorm rimpeleffect veroorzaken…

SpaceX einddoel, methaan, en Raptor; een gouden combinatie
Nu we de cycli, de brandstoffen en de ambities van SpaceX kennen laten we eens kijken of de ontwikkeling van de Raptor het allemaal de moeite waard geweest is (hierbij opgemerkt dat de
Raptor in hoog tempo, net als de Merlin, doorontwikkeld wordt). Laten we daarbij het ultieme plan van SpaceX in ogenschouw nemen; maak een snel en volledig herbruikbaar ruimteschip dat in staat is mensen zo goedkoop en routinematig mogelijk naar de maan en Mars te sturen. Een vrij onalledaags ontwerpdoel voor een raket…Kortom; om snel en volledig herbruikbaar te zijn, moet de motor weinig onderhoud vereisen met eenvoudige turbopompafdichtingen en lage voorverbrandingstemperaturen. Om redenen van betrouwbaarheid, redundantie en fabricage is het zinvol om veel motoren te gebruiken. Om een ??motor te verkleinen maar een hoge output te behouden, moet de kamerdruk hoog zijn … Hmm, dat klinkt als een methaan-aangedreven full-flow gefaseerde verbrandingscyclusmotor…ofwel de Raptor!

Voor SpaceX en zijn interplantaire reisdoelen is methaan een goede optie. Het is vrij compact, daardoor blijft de grootte van de ruimteschepen binnen de perken, het is efficiënt, brandt schoon en zorgt voor een herbruikbaarheid van de motor. Verder verbrandt het relatief koel en helpt het de levensduur van een motor te verlengen, wat gunstig is voor herbruikbaarheid…enz. Het is relatief goedkoop en eenvoudig te produceren op het Marsoppervlak. De Raptor als een methaan-aangedreven full-flow gefaseerde verbrandingscyclusmotor vormt dus een goede match…Is de Raptor uiteindelijk het beste paard van stal onder de raketmotoren? Nou, zoals veel zaken in de ruimtevaart is het een complexe reeks van compromissen. Is het de meest efficiënte motor? Nee. Is het de krachtigste motor? Nee. Is het de goedkoopste motor? Waarschijnlijk niet. Is het de vaakst herbruikbare motor? Waarschijnlijk ook niet. Maar werkt de motor naar behoren? Ja! Alles wat hij moet doen, doet hij heel erg goed. En dus is deze motor een fantastisch ontwerp om de doelen van SpaceX voor interplanetaire reizen te verwezenlijken. Bronnen; Everyday Astronaut, Hackaday, NasaSpaceFlight

Laat wat van je horen

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.